第二章 混凝作用机理

紧密层的反号离子构成 “
胶粒 ”。溶胶中的独立运
动单位是胶粒，胶粒与扩
K+ I－
AgI
碘化银胶团示意图（KI过量）
散层离子构成“胶团”。可用下式
表示：
x


(A胶g核I)m
nI (n x)K 紧密层
xK
扩散层
胶粒
总够高胶体颗粒的热运动无法克服势垒的阻碍， 则交替颗粒保持稳定，不能聚沉。
2.2 混凝机理
1．电性中和作用机理
电性中和作用机理包括压缩双电层与吸附电 中和 作用机理，见图6-4。
（1）压缩双电层
加入电解质加入，形成与反离子同电荷离子，产 生压缩双电层作用，使ξ电位降低，从而胶体颗粒 失去稳定性，产生凝聚作用。
分散悬浮状态的特性。
与水和废水泥凝处理有关的胶体粒子的主 要性质，就是它的稳定性。在一般情况下， 由胶粒和水组成的胶体分散体系能长时间保 持稳定。即使是粉径大干胶粒的细小物质(粒 径在1-10um)，也不会在水和废水处理工艺允 许的时间范围内自动沉淀下来。

如果假定水中胶体粒子为球形质点，则其自然 沉降速度可以用Stokes方程描述：
势能可能有以下几种情况：当两胶体颗粒间距 很小趋近于0时，EA趋近于∞，ER增加接近于 一个常数，此时EA 大于ER，ET未负值，表现 为两个胶体颗粒吸引聚集；当两个胶体颗粒间 距很远时， EA 和ER均趋近于0， ET趋近于0， 此时胶体颗粒仅受热运动和溶剂化的作用影响；
当两胶体颗粒的间距与双电层的厚度在同一个 数量级时， ER可能会大于EA， ET为正值，总 势能曲线上出现一极大值，即为势垒，若势垒
源自文库第二章 混凝的作用机理
混凝：水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集 过程称为混凝，是凝聚和絮凝的总称。
凝聚：胶体失去稳定性的过程称为凝聚。
絮凝：脱稳胶体相互聚集称为絮凝。
混凝过程涉及：①水中胶体的性质；②混凝 剂在水中的水解；③胶体与混凝剂的相互作 用。
2.1 水中胶体的稳定性 胶体稳定性：是指胶体粒子在水中长期保持
+ +
紧密层
扩散层
双电层示意图
+++++++++
+
电 势
+
0 ：固体表面和液体内部的总
的电位差
0 + +
紧密层
扩散层
动电位（电势）: 紧密层的外界面与本体溶液之间的电 势差。 电势决定着胶体粒子在电场中的运动速度。
电势对其它离子十分敏
感，外加电解质的变化会引起
电势的显著变化。因为外加
ut

1 18
P

gdP2
由Stokes方程可知，粒子的沉降速度与其粒径平 方成正比，因而粒径愈小，沉降速度越慢。

胶体粒子的平均粒径—般为1nm-1um，
每小时自然沉降距离仅为10-2 cm到
l 0-4cm。考虑到胶体分散系统本身所受到的
不可避免的扰动，这样的沉降速度实际上不 能使胶粒沉降下来。
胶体颗粒表面带有电荷的过程或途径：
1.胶体颗粒结晶中的晶格取代使胶体表面产生电荷。 2.胶体颗粒表面某些化学集团在水中电离使胶体带
电。 3.胶体颗粒表面与水作用后溶解并电离使胶体带电。 4.胶体颗粒对水中某些离子的吸附使胶体带电。
1. 胶体粒子的结构
以AgI的水溶胶为例。 固体粒子AgI称为“胶 核”。若稳定剂是 KI ，则胶核 吸附I－带负电，反号离子 K+一部分进入紧密层，另 一部分在扩散层。胶核与
电解质浓度加大时，会使进入 紧密层的反号离子增加，使得 粒子外界面与溶液本体的电
势差减小，即 电势下降，
从而使双电层变薄。
d
d
0 ´
b'
b
电解质对电势的影响
当电解质浓度增加到一定程度时，扩散厚度变零， 电势
也变为零。这就是胶体电泳的速度会随着电解质浓度的加大而
变小，甚至变为零的原因。
（1）
Ⅱ
Ⅰ δ Ⅲ δ
距离
（2）
Ⅰ δ
δ
Ⅱ
δ
距离
Ⅲ 距离
（3）
图 6-4 压缩双电层和吸附-电中和作用
（2）吸附－电性中和 这种现象在水处理中出现的较多。指胶核表面直 接吸附带异号电荷的聚合离子、高分子物质、胶 粒等，来降低电位。其特点是：当药剂投加量 过多时，电位可反号。
2．吸附架桥 吸附架桥作用是指高分子物质和胶粒，以及胶粒 与胶粒之间的架桥，架桥模型示意见图6-5。 高分子絮凝剂投加后，通常可能出现以下两个现 象：
胶团
（1）整个胶团是电中性的。
（2）胶粒电荷的符号取决于被吸附离子的符号，胶粒带电 的多少由被吸附离子与紧密层反号离子电荷之差（n - x）来决 定。
+++++++++
2. 胶体粒子的双电层结构
+
电 势
（设粒子荷负电）
+
粒子的相反电荷离子是由紧密层 和扩散层两部分组成。 紧密层中的反号离子被束缚在胶 体粒子周围， 扩散层中的反号离子虽受胶体粒 子的静电引力的影响，但可脱离 胶体粒子而移动。
压缩双电层机理适用于叔采－哈代法则，即：凝 聚能力离子价数6。
该机理认为电位最多可降至0。因而不能解释以 下两种现象：①混凝剂投加过多，混凝效果反而 下降；②与胶粒带同样电号的聚合物或高分子也 有良好的混凝效果。
滑动面
负离子 原有正离子 投加的正离子
Φ （-）
滑动面
Φ （-）
滑动面
电位Φ 电位Φ
①高分子投量过少，不足以形成吸附架桥； ②但投加过多，会出现“胶体保护”现象，见 图6-6；
胶粒 高分子 胶粒
胶粒 排斥
高分子 排斥
高分子
图 6-5 架桥模型示意
图 6-6 胶体保护示意
3．网捕或卷扫
金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的 网捕与卷扫。所需混凝剂量与原水杂质含 量成反比，即当原水胶体含量少时，所需 混凝剂多，反之亦然。
2.1.2 胶粒之间的相互作用-DLVO理论
排
斥
势
Er
能
ER E
Emax 0a
吸
Ea
引
势
能
EA
r c
r (a)
间距x
图 6-2 相互作用势能与颗粒距离关系
（a)双电层重叠； (b)势能变化曲线
从总势能图上可以看出，吸附势能只是在两
个胶体颗粒距离很短时起作用，排斥势能则作 用稍远些。 两个胶体颗粒处于不同距离时，总
胶体稳定性分“动力学稳定性”和“聚集稳定” 两种。
动力学稳定性：无规则的布朗运动强，对抗重力 影响的能力强。
聚集稳定性包括：①胶体带电相斥（憎水性胶 体）；②水化膜的阻碍（亲水性胶体）
在动力学稳定性和聚集稳定两者之中，聚集稳 定性对胶体稳定性的影响起关键作用。
2.1.1 胶体的双电层结构